¿Por qué los carenados de cohetes son tan caros?

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Caza carenado

Por el momento, el precio de los carenados para cohetes es de unos 5-7 millones de dólares. Mucha gente pregunta: ¿por qué es tan caro? Después de todo, es solo una pieza de metal para protección. Esto no es del todo cierto, no es solo una pieza de metal, aunque este diseño está hecho para proteger la carga útil.

Comencemos pequeño. Cada kilogramo de carenados reduce el peso de la carga útil. Por lo tanto, los compuestos livianos se usan con refuerzo estructural mediante aleaciones ligeras, generalmente aleaciones de aluminio. El diseño se asemeja a un panal (isogrid). El peso del carenado Falcon 9 con un diámetro de 5.2 metros es de aproximadamente 1.9 toneladas.



La elección del material también se aborda con especial cuidado, ya que el carenado debe proteger contra el flujo de aire libre, de la radiación EMI, de temperaturas extremas, de otras vibraciones y tensiones mecánicas en PN. Por ejemplo, el Falcon Heavy pasa la barrera del sonido a una altitud de aproximadamente 10 km, y luego acelera a 7-8 Mach (2-3 km / s). En estas altitudes, el aire sigue siendo bastante denso y el carenado sufre un fuerte calentamiento con un rápido enfriamiento en la atmósfera superior. Las fluctuaciones de temperatura pueden ser de 100C a -100C en un corto período de tiempo (aproximadamente un minuto). Por lo tanto, el material debe ser resistente a los rápidos cambios de temperatura.

Usando el carenado de un cohete como ejemplo, considere el efecto del calentamiento aerodinámico en él. La figura muestra el cambio en el flujo de calor convectivo en la nariz del carenado que ocurre cuando el flujo de gas se inhibe cerca de la superficie aerodinámica.


Este flujo de calor provoca el calentamiento de la superficie del carenado del cabezal (GO). La distribución de temperatura en la superficie del GO se muestra en la siguiente figura.


Como se puede ver en la figura, la temperatura de la proa del GO excede el valor operativo permitido para las aleaciones de aluminio. Por lo tanto, en la superficie externa de la parte nasal de GO, se aplica TZP a partir de asboplásticos o fibra de vidrio en un aglutinante fenólico:


La imagen de la distribución de temperatura según el diseño del GO, que tiene un TZP del arco, se muestra en la figura:


De la figura se puede ver que tanto en la carcasa como en el conjunto de potencia longitudinal (stringers), la temperatura de funcionamiento durante el vuelo está dentro de los límites aceptables. Sin embargo, para una nave espacial dentro del GO, el flujo de calor de la estructura del carenado puede ser inaceptable, como resultado de lo cual es necesario el aislamiento térmico de la estructura calentada de la cavidad interna del GO.
El dispositivo de dicho aislamiento térmico (TI) se muestra en la figura:


Esto es necesario para mantener una temperatura de 10-30 ° C para la nave espacial debajo del carenado.

Además, los carenados deben poder ventilar, de modo que durante el proceso de salir al espacio, iguale la presión dentro del compartimento para que el carenado no se destruya prematuramente.

Otra complicación es que los carenados deberían abrirse idealmente para no dañar las cargas útiles y las etapas de misiles debajo de ellos a una velocidad de aproximadamente 3-4 km / s. Es decir, debería haber un mecanismo especial para separar los carenados de las cargas sin dañar la carga útil y el escalón debajo de ella. Un buen video de la Prueba de carenado de vacío Space X en el Glenn Research Institute de la NASA:



Para la implementación de la apertura del carenado y para la separación de los pasos en su conjunto, existe un sistema de separación.
El sistema de separación (SR) está diseñado para separar y retirarse de la trayectoria de la eliminación de etapas gastadas, así como para descartar elementos estructurales que han cumplido su propósito funcional. Los elementos estructurales del SR antes de la operación deben garantizar la integridad del diseño del LV y la percepción de todas las cargas. La activación de los elementos SR es muy rápida, como resultado de lo cual se encuentran a bordo fuentes de energía liberada rápidamente (explosivos, acumuladores de presión, resortes, etc.). Después de la operación de los elementos discontinuos, una dinámica compleja de relativa
movimiento La composición del SR incluye unidades, componentes y mecanismos, proporcionando:
- conexión fiable de partes separables y ruptura de enlaces de potencia,
- cría de partes divididas.
El primer grupo incluye cerraduras de pirotecnia, cerraduras neumáticas de pernos de pirotecnia, cerraduras mecánicas, elementos de carcasa con cargas de detonación lineales. La cría se realiza mediante empujadores (aire, pirotecnia, resorte), boquillas para gases de refuerzo, frenos de motores de cohete propulsor sólido, empuje del motor.

Sistema de separación Pirobolt:


Proyectil detonante lineal:


Ubicación de CP para carenado de China Great Wall Industry Corporation:



Una complicación adicional es el tamaño de los carenados. Tiene aproximadamente 15 metros por 5 metros. Puede caber fácilmente en un autobús urbano. Para la fabricación de carenados metálicos, se utilizan máquinas CNC grandes especiales o autoclaves muy grandes en el caso de los compuestos. Estos procesos requieren muchos recursos y requieren mucho tiempo. Autoclave Boeing:



Bueno, no debes olvidar que después del ensamblaje, el carenado debe pasar una prueba seria, ya que la supervivencia de la PN durante el proceso de lanzamiento depende de ello. Vale la pena recordar que, como en el caso de defectos con un misil, un defecto en el carenado conducirá a la pérdida de PN y al fracaso de la misión después del lanzamiento del cohete, cuando es imposible cancelar el lanzamiento.

Un hombre en el fondo de un carenado para comparar tamaños:



Diagrama de carenado:



A veces, al iniciar herramientas delgadas, se requieren carenados para crear y mantener una atmósfera de sala limpia dentro del compartimento. Esto impone dificultades adicionales en el diseño de los carenados y contribuye a un aumento en el precio.

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